探究大气强迫对蒸发的影响：大气边界层与浅层地下环境的实验整合

摘要

本文介绍了一种用于设计和构建与小型气候可控风洞相连的土壤槽的方案，以研究大气强迫对蒸发作用的影响。该土壤槽和风洞均配备了传感器技术，可对环境条件进行连续的原位（in situ）测量。

摘要

蒸发直接受大气、地表和土壤地下部分之间相互作用的影响。本研究旨在通过实验手段，在多种地表边界条件下研究蒸发过程，以增进我们对这一多相现象的当前理解和表征，并验证耦合大气中纳维-斯托克斯流与多孔介质中达西流的数值传热与传质理论。实验数据是利用一种独特的土壤槽装置与小型气候可控风洞连接而成的系统采集的。该实验装置配备了一系列先进的传感器技术，可连续、自主地采集土壤含水量、土壤热特性、土壤和空气温度、相对湿度以及风速等参数。该实验系统可用于在高度受控的边界条件下生成数据，从而在感兴趣的空间尺度上实现更精确的控制和数据采集，而这些条件在野外实验中难以实现。在土壤表面施加若干不同风速的气流，导致在不同蒸发阶段中出现独特的传热与传质行为。

引言

理解陆地与大气之间的相互作用对于认识当前诸多全球性问题至关重要，例如地质封存的二氧化碳在土壤中的泄漏、气候变化、水资源与粮食供应、地雷的精确定位，以及地下水和土壤的修复。此外，驱动全球和区域气象条件的主要热量与水分交换发生在地球表面。许多天气和气候现象（例如，飓风，厄尔尼诺ñ干旱 等。主要由与大气-陆面相互作用相关的过程驱动¹由于地球超过一半的陆地表面为干旱或半干旱地区^2-4，准确描述这些地区大气与地表之间热量和水分交换基础上的水循环过程，对于增进我们对上述问题的理解至关重要，尤其是在易受长期干旱和荒漠化影响的地区。然而，尽管已有数十年的研究，当前对浅层地下环境与大气之间相互作用机制的认识仍存在诸多知识空白。⁵.

涉及液态水、水蒸气和热量在土壤中的传输过程是动态的，并且在与土壤的相互作用以及施加的边界条件方面具有强烈的耦合性（即温度、相对湿度、热辐射）等因素。数值传热与传质模型通常会过度简化或忽略其中许多复杂性，部分原因在于缺乏高时间分辨率和高空间分辨率的观测数据，导致现有理论难以得到充分验证与改进。用于模型验证的数据集往往缺少关键的大气或地下信息，无法有效检验相关理论，从而造成数值模型未能准确反映重要过程，或依赖于一些物理意义不明确、需在模型中进行调整或拟合的参数。尽管这种方法因简单易用而在某些应用中表现....

方案

注意：实验室测试采用一个二维小尺度土槽，并与气候可控的风洞装置相连接。该小尺度土槽和风洞均配备了多种传感器技术。以下方案将首先讨论土壤槽的构建与准备，随后介绍风洞及其相关仪器设备的配置。土槽尺寸、风洞尺寸、传感器数量及传感器技术类型均可根据特定实验设置的需求进行调整。下述方案曾用于实验研究风速对裸土蒸发的影响。

1. 多孔介质土壤箱的构建与准备

1. 将一块厚度为1.2 cm的亚克力玻璃切割成五块独立的板片，组装成一个顶部开口的土壤槽，其内部长度、宽度和高度分别为25 cm、9.1 cm和55 cm。亚克力玻璃可使地下过程实现可视化观察。
2. 在两块较大的玻璃板（长25 cm，高55 cm）上分别绘制一个25 cm × 25 cm的5 × 5网格，如图1所示。确保网格中每个方格的面积为25 cm²（图1）。该网格将用于在土壤槽内合理布设传感器。

结果

本实验旨在研究风速对裸露土壤蒸发的影响。本研究所用试验土壤的关键特性总结于表2中。开展了一系列实验，施加了不同的土壤表面边界条件（即，风速和温度）（表3）。尽管在不同风速和温度下进行了四组实验，但本文所展示的大部分实验结果均针对风速为1.22 m/sec的情况。四组实验的累积蒸发量数据均已展示。

压实条件

干体积密度 (g cm–3)

进气压力 (cm H2O)

残余含水量

讨论

本实验方案的目的是开发一种实验装置及相关操作程序，以获取研究陆地-大气相互作用中热量和质量传递过程所需的空间和时间高分辨率数据。所述实验装置包括一个土壤箱和一个小型风洞，二者均配备了一系列传感器，用于测量关键的土壤和大气变量（例如，风速、相对湿度、土壤和空气温度以及土壤湿度）。以下是本研究中所提出方案的一些最关键组成部分。

选择土箱的尺寸和传感器的布置位置，旨在最大限度地增加所用传感器的数量，同时考虑各传感器相应的采样体积。由于每个传感器的采样体积（定义为传感器周围土壤的体积，该范围内环境条件的变化会影响传感器读数），第一排传感器位于地表以下2.5 cm处。传感器安装在NPT接头中，通过土箱侧壁水平插入，使传感器导线不接触土壤本身；所有传感器导线均位于土箱外部，以防止水分沿导线形成优先流。大量温度和土壤水分传感器网络的安装，使得能够以较高的空间分辨率确定这些变量的水平和垂直分布。

将土壤箱放置在称重秤上，可通过上述水质量平衡法确定累积的水分损失及相应的蒸发速率。随后可将这些数值与使用其他方法（如Trautz等.......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
EC-5 土壤水分传感器（25）	Decagon Devices Inc. Decagon.com	40593	具体信息请访问：http://www.decagon.com/products/soils/volumetric-water-content-sensors/ec-5-soil-moisture-small-area-of-influence/。采样频率为每10分钟一次，精度为±3%，使用 Em50 数据记录仪采集数据
ECT 土壤/空气温度传感器（19）	Decagon Devices Inc. Decagon.com	40651	技术规格请访问 http://www.decagon.com/products/canopy-atmosphere/temperature/ect-air-temperature/。采样频率为每10分钟一次，精度为±0.5 °C，在5至40 °C温度范围内测量，使用 Em50 数据记录仪采集数据
EHT 相对湿度与温度传感器（5）	Decagon Devices Inc. Decagon.com	N/A	采样频率为每10分钟一次，相对湿度5%至100%范围内的精度为±3%，使用 Em50 数据记录仪采集数据。更多信息请访问 decagon.com
Em50 数据记录仪（10）	Decagon Devices Inc. Decagon.com	40800	具体信息请访问 http://www.decagon.com/products/data-management/data-loggers/em50-digital-analog-data-logger/。该设备可连接 ECH2O Decagon 设备，从 ECT、EC-5 和 EHT 传感器中读取数据，每个数据记录仪具有5个传感器接口，以及一个通过 USB 连接到计算机的通信端口
Sartorius 电子天平（1）	Sartorius Corporation	11209-95	Sartorius 型号 11209-95，量程 = 65 kg，分辨率 = ±1 g
红外陶瓷辐射加热器（1）	Mor Electric Heating Assoc., Inc. http://www.morelectricheating.com/	FTE 500-240	共需5台加热器，调节以获得合适的环境/自由流动温度
2104 温度控制系统（1）	Chromalox	2104	控制加热器
红外温度传感器调节器（1）	Exergen Corporation	N/A	监测加热器的温度
[header]
不锈钢皮托管（1）	Dwyer Instruments, Inc. http://www.dwyer-inst.com/	Series 160	具体信息请访问 http://www.dwyer-inst.com/Product/%20TestEquipment/PitotTubes/Series160。传感器采样频率为每10分钟一次，必须连接差压变送器和风速计，并使用伯努利方程将采集的压力数据转换为风速。
1/2 英寸亚克力板（1）	Colorado Plastics http://www.coloradoplastics.com/	N/A	比热容为 1,464 J kg-1 K-1，导热系数为 0.2 W m-1 K-1，密度为 1,150 kg m-3
镀锌钢通风管道材料（1）	Home Depot	N/A	用于构建风洞，施工中使用了圆形和矩形管道，并通过方转圆变径管连接
连接至管道风机的变频控制器（1）	Suncourt, Inc. http://www.suncourt.com/	VS200	直径为15.3 cm，安装于圆形管道中
镀锌钢风门（1）	Home Depot	N/A	用于在风洞中控制或降低风速，以获取低速数据
Accusand #30/40（1）	Unimin Corporation http://www.unimin.com/	N/A	该沙为石英砂，含99.8%石英，颗粒形态为圆形，不均匀系数约为1.2，颗粒密度为2.66 g/cm3。